一种基于能量有效的分布式星群节点选择方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于能量有效的分布式星群节点选择方法。在卫星移动通信系统中，高轨道卫星被分解为分布式卫星群，该分布式卫星群有上百个卫星节点组成。在卫星群与地面终端进行通信的过程中，使用大量的卫星节点，会消耗很大的功率，所以本发明针对这种情况提出了一种有效的节点选择方法。在系统的信道容量大于一定的门限值时，联合优化了发送卫星节点数，发送卫星节点子集，可服务移动终端子集。考虑到能量效率函数的特殊性，即联合优化等价于分步优化，首先，确定不同移动终端的大尺度衰落因子，从中选择出最优的大尺度衰落因子，然后确定最优的发送卫星节点数目和相应的子集。
【专利说明】-种基于能量有效的分布式星群节点选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星通信【技术领域】，尤其涉及一种基于能量有效的分布式星群节点选 择方法。
【背景技术】
[0002] 考虑到LTE和LTE-A无线通信系统发展面临的挑战，如；无缝全球漫游、多媒体通 信、服务质量管理W及高用户吞吐量等，卫星移动通信系统得到了广泛的关注。卫星移动通 信系统的组成部分有：卫星、移动用户、网关、卫星控制中也、网络控制中也。该些组成部分 使得直连接入网络、边远陆地网络、因特网服务、交互式多媒体服务之间的连接成为可能。
[0003] 根据卫星所在的轨道，卫星移动通信系统可W分为两类：低/中轨卫星（LE0/ME0) 和高轨卫星佑E0)。LEO和ME0的典型轨道高度分别是1200km和18000km，该些卫星经常是 几个卫星组成星群一起工作。GE0的典型轨道高度是36000km。在卫星移动通信系统中，由 于长距离的空间传播，信道会受到降雨衰减、多普勒频移、阴影衰落W及多径衰落等影响， 传播环境很差。
[0004] "分离的航天器"是美国在2006年提出的概念，与传统的卫星通信系统结构相比， 该种分离的结构能够提供更多的灵活性和鲁棒性。在2007年美国国防部先进研究项目局 值ARPA)提出了一个"F6"系统，该系统的主要目标是；证明和探索把一个卫星的功能分成 多个部分的好处。该种卫星系统的结构能够提高轨道卫星的适应性和存活性，同时能够缩 短卫星通信系统的发展时间。
[0005] 众所周知，在无线通信系统中，增加天线数对无线通信系统总是有利的，受到该点 的启发W及F6系统的特点，研究人员最近的研究方向集中到把一个卫星分裂成分布式卫 星群，该分布式卫星群有上百颗通信卫星节点。分布式卫星群中的卫星节点之间的通信介 质是具有高可靠性的光纤。在具有可持续性和成本效率高的卫星移动通信系统中，能量消 耗是一个基本的问题。毫无疑问，使用越多的卫星节点，所消耗的能量就越大。
[0006] 基于上述问题，本发明所提出的是一种基于能量有效的分布式星群节点选择方 法。该方法对H个参数，发送卫星节点个数、发送卫星节点子集、可服务移动终端子集进行 了与联合优化等价的分步优化，复杂度很低。首先根据预编码矩阵确定整个系统的信道容 量，然后再确定卫星移动通信系统中的功率消耗模型。最后对发送卫星节点数、发送卫星节 点子集、可服务移动终端子集进行了联合优化。本发明的有益效果是：在考虑发送端分布 式卫星群中卫星节点的功耗，电路中的其他部分功耗（如；基带DS巧，接收端移动终端射频 链路功率消耗的链路模型中，分析并给出了卫星移动通信系统能量效率最优的节点选择方 法，使得卫星移动通信系统的能量效率有极大的提高；所给出的预编码矩阵在分布式卫星 群中卫星节点数远远大于移动终端数的情况下，使得信道容量的表达式由对数行列式形式 转化成了加和对数形式，极大的简化了能量效率的求解问题；对能量效率的各个参数，发 射端卫星节点数目及子集和可服务移动终端子集进行了与联合优化等价的分布优化，极大 的降低了卫星移动通信系统中能效的计算复杂度。
【发明内容】
[0007] 本发明能够在计算复杂度不高的情况下，通过节点选择的方式提高整个系统的能 量效率。考虑卫星移动通信系统下行链路，使用(FDM技术，通过对发送卫星节点数、发送卫 星节点子集、可服务移动终端子集的联合优化来最大化系统的能量效率。
[0008] 具体步骤为：
[0009] 步骤一：下行链路的接收信号为
[0010]
【权利要求】
1. 一种基于能量有效的分布式星群节点选择方法，其特征在于：本发明考虑的系统是 卫星移动通信系统下行链路，使用OFDM。卫星群中的发送卫星节点数远远大于移动终端用 户数时，小尺度衰落因子的影响消失，根据接收信号的表达式，确定预编码矩阵：
G是信道矩阵，（广表示取共轭，G=H?De，H是小尺度衰落矩阵，〇0是大尺度衰落矩 阵，大尺度衰落主要包括阴影衰落和路径损耗。在分布式卫星群中卫星数K远远大于移动 终端数L时，小区容量为：
式中9{成比例与发送信噪比，0k是大尺度衰落因子。 由于卫星移动通信系统的卫星群中有大量的卫星，在整个系统工作时，会消耗很大的 能量，因此需要对整个通信系统的功耗进行建模，总的功率消耗模型PSUffl可建模为： PSUm= ￡ ?t+KPct+LPcr+Pc〇. e是功率放大器效率，Pt是卫星节点发射功率，K是发送卫星节点数目，Pet表示发送卫 星节点链路所消耗的功率，P"表示移动终端接收端RF链所消耗的功率，P。。是电路的其他 部分所消耗的功率，比如，数字信号处理。
2. 根据权利要求1所述的针对卫星通信系统中分布式星群的能量有效的节点选择方 法，其特征在于，确定预编码矩阵，其预编码矩阵的选取要满足在发送卫星节点数目远远大 于移动终端数目时，使得此时的信道容量表达式仅与信道的大尺度衰落因子有关。
3. 根据权利要求1所述的针对卫星通信系统中分布式星群的能量有效的节点选择方 法，其特征在于，确定一个小区信道容量门限，该信道容量门限所对应的发送卫星节点数 应远远大于可服务的终端数，在发明实现过程中只要发送卫星节点个数大于等于十倍的可 服务移动终端数，我们就认为远远大于成立。
4. 根据权利要求1所述的针对卫星通信系统中分布式星群的能量有效的节点选择方
【文档编号】H04L25/03GK104485988SQ201410479668
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】刘元安, 胡碧波, 谢刚, 杨亚霖, 刘凯明, 刘芳 申请人:北京邮电大学